陳敏
(重慶市科能高級(jí)技工學(xué)校,重慶 400037)
PLC技術(shù)煤礦井下應(yīng)用研究
陳敏
(重慶市科能高級(jí)技工學(xué)校,重慶 400037)
針對(duì)煤礦井下網(wǎng)線覆蓋范圍只有100m,光纖在井下焊接不安全等問(wèn)題,研究電力線傳輸技術(shù)在煤礦井下使用的技術(shù)可行性以及安全可行性。設(shè)計(jì)了安全可靠的電力線傳輸技術(shù)。經(jīng)產(chǎn)品測(cè)試,綜合數(shù)據(jù)顯示,經(jīng)過(guò)處理后的電力線傳輸技術(shù)符合煤礦井下安全規(guī)程要求,網(wǎng)線覆蓋距離達(dá)到2km,可以取代光纖傳輸,杜絕了井下光纖焊接的安全性問(wèn)題。
工業(yè)以太網(wǎng);PLC;電力線載波;本質(zhì)安全;信號(hào)耦合
隨著國(guó)家對(duì)煤礦安全的日益重視以及煤礦綜合自動(dòng)化程度的不斷提升,煤礦井下廣播系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、語(yǔ)音電話系統(tǒng)、瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)等大量使用,煤礦井下通訊數(shù)據(jù)量越來(lái)越大。工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)由于其帶寬高、光纖傳輸距離遠(yuǎn)以及環(huán)網(wǎng)冗余的保護(hù)機(jī)制等特點(diǎn),可以滿足生產(chǎn)礦井的需要。
但是,由于工業(yè)以太網(wǎng)在高帶寬模式下,只有光纖傳輸與網(wǎng)線傳輸模式,該兩種模式存在一定的缺陷:光纖傳輸在煤礦掘進(jìn)巷道等需要移動(dòng)通訊設(shè)備的地方溶解光纖非常不方便;網(wǎng)線傳輸距離只有100m左右。煤礦掘進(jìn)等地方需要隨時(shí)移動(dòng)設(shè)備,并且需要傳輸工業(yè)視頻等高帶寬設(shè)備信息,工業(yè)以太網(wǎng)暫時(shí)無(wú)法滿足該功能的需求。而具有傳輸距離遠(yuǎn)、有一定網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬以及以電纜為傳輸介質(zhì)的PLC技術(shù)完全可以解決以上問(wèn)題。
電力線通信(Power Line Communication,英文簡(jiǎn)稱PLC)技術(shù)是指利用電力線通信數(shù)據(jù)和媒體信號(hào)的一種通信方式。該技術(shù)是把載有信息的高頻信號(hào)加載于電流,利用電源線進(jìn)行傳輸,接受信息的適配器再把高頻信號(hào)從電流中分離出來(lái),信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波處理,轉(zhuǎn)換為用戶需要的各種類型信號(hào)。
電力線通信技術(shù)具有的最大優(yōu)點(diǎn)在于不需要單獨(dú)鋪設(shè)通信電纜,只要設(shè)備具有交流電源就能把信號(hào)進(jìn)行傳輸;另外,電力線技術(shù)采用電纜傳輸,用戶維護(hù)方便,維護(hù)時(shí)不需要考慮光纖焊接時(shí)需要準(zhǔn)備的大量安全措施。
由于PLC載波技術(shù)物理載體雖然為電力線,但是信號(hào)本質(zhì)上是基于電流傳輸,煤礦相關(guān)于瓦斯監(jiān)控等停電仍然需要運(yùn)行的系統(tǒng)是不能用PLC進(jìn)行傳輸,因此,PLC主要運(yùn)用于視頻信號(hào)傳輸以及非涉及到安全生產(chǎn)系統(tǒng)的信號(hào)傳輸。
PLC通信技術(shù)相當(dāng)成熟,但是該技術(shù)只考慮非爆炸性環(huán)境使用,在安全技術(shù)方面存在很多問(wèn)題,不能簡(jiǎn)單把該技術(shù)直接運(yùn)用于煤礦井下,需要對(duì)各種輸出信號(hào)進(jìn)行有效的安全處理措施。
PLC通信由于其技術(shù)的特殊性質(zhì),在煤礦領(lǐng)域進(jìn)行使用需要做好幾方面的工作:第一,設(shè)備工作電源的安全性設(shè)計(jì);第二,由于電源干擾大,需要進(jìn)行信號(hào)濾波處理。
為了確保技術(shù)的安全性,輸出信號(hào)必須進(jìn)行本質(zhì)安全處理。
(1)電源設(shè)計(jì)。PLC通信載波芯片目前都采用5V工作電源。RJ45網(wǎng)絡(luò)信號(hào)輸出為本質(zhì)安全型信號(hào),根據(jù)煤礦安全標(biāo)準(zhǔn)要求,工作電源必須設(shè)計(jì)過(guò)流過(guò)壓雙重保護(hù)。具體設(shè)計(jì)電路見(jiàn)電源設(shè)計(jì)圖1。采用晶閘管保護(hù),保護(hù)電壓為5.6V,電源電路雙重過(guò)壓保護(hù)電路如圖1。

圖1 電源電路圖
(2)耦合信號(hào)濾波處理。輸出PLC信號(hào)為非本安信號(hào),作為井下設(shè)備,非本安信號(hào)與本安信號(hào)和外殼之間需能承受3000VAC耐壓。選用變壓器進(jìn)行信號(hào)耦合,變壓器變比為1:1,原邊和副邊隔離耐壓為3750VAC。原邊增加C7、C8高耐壓電容將變壓器與工頻交流強(qiáng)電隔離,使通信電路能完全隔離電力網(wǎng)工頻信號(hào)。電路原理見(jiàn)PLC信號(hào)耦合電路圖2。

圖2 PLC信號(hào)耦合電路
選擇限流電阻為1MΩ,其功率:W=U2/ R=660×660÷(106+106)=0.2178W
最大功耗為:Wmax=W×1.7=0.2178×1.7=0.37W
設(shè)計(jì)電阻為1MΩ,功率為0.5W。
R7、R8為限流電阻,輸入電壓為660VAC。電流值I:I=U÷R=660÷2÷106=0.33mA
副邊設(shè)計(jì)RC濾波電路,增加共模抑制,查模抑制TVS。T2變比為1:1,T2副邊電流也為0.33mA,選擇副邊電阻為0.51Ω0.125W。
(3)技術(shù)安全性。PLC技術(shù)運(yùn)用于煤礦井下,輸出信號(hào)除了要滿足隔離耐壓要求,還需要滿足:第一,相關(guān)安全的PCB設(shè)計(jì)要求;第二,本安信號(hào)必須滿足本質(zhì)安全需求,相應(yīng)設(shè)計(jì)安全柵電路。
①PCB設(shè)計(jì)要求。PCB設(shè)計(jì)時(shí),本安端子與非本安端子之間電氣間隙不小于50mm。當(dāng)電壓峰值為660V時(shí),導(dǎo)電部件間的距離參考GB3836.4-2010中6.3節(jié)。
②信號(hào)隔離與安全柵電路。RJ45輸出為本安信號(hào),輸出信號(hào)與設(shè)備外殼以及非本安端具有一定耐壓隔離。電路設(shè)計(jì)時(shí)采用網(wǎng)路數(shù)據(jù)變壓器,該變壓器采用雙鐵芯,設(shè)計(jì)接地線,原邊與副邊之間支持1500VAC隔離。
網(wǎng)絡(luò)RJ45信號(hào)輸出信號(hào)電壓為3.3VDC,安全柵電路設(shè)計(jì)2個(gè)雙向TVS,電壓為3.6VDC,保險(xiǎn)絲為0.2A2Ω。限流電阻選擇為2.2Ω,保護(hù)電壓為3.3V。由于電阻絲的熔斷具有一定時(shí)間時(shí)間,限流電阻需要在這個(gè)時(shí)間能保證正常工作,保護(hù)電流值ILIM:

選擇限流電阻功率為2W。安全柵電路圖如圖3所示。

圖3 安全柵電路圖
根據(jù)國(guó)標(biāo)規(guī)定,煤礦井下產(chǎn)品必須滿足隔離耐壓測(cè)試。產(chǎn)品經(jīng)過(guò)測(cè)試,非本安端與外殼之間耐壓值為3082VAC,非本安端與本安端之間耐壓值為3107VAC,本安端與外殼之間耐壓值為1500VAC。
通過(guò)模擬現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了傳輸距離與傳輸帶寬測(cè)試,具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 傳輸距離與帶寬測(cè)試表
通過(guò)對(duì)PLC技術(shù)耦合濾波的研究以及各種信號(hào)安全隔離的處理,實(shí)現(xiàn)了PLC技術(shù)在煤礦井下的使用。產(chǎn)品模擬現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行一系列測(cè)試得知,信號(hào)安全處理以后的PLC技術(shù)能在網(wǎng)絡(luò)帶寬為5.4Mbps情況下使用普通電纜為通訊載體,其傳輸距離可達(dá)到2km。
目前該技術(shù)產(chǎn)品正進(jìn)行安標(biāo)送檢工作中,經(jīng)過(guò)相應(yīng)的技術(shù)研究以及安全性研究,相信PLC技術(shù)在煤礦局部區(qū)域能代替光纜傳輸技術(shù),得到廣泛應(yīng)用。
[1]國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局. 煤礦安全規(guī)程[S]. 煤炭工業(yè)出版社,2009.
[2]王贊基,郭靜波. 電力線擴(kuò)頻載波通信技術(shù)及其應(yīng)用[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2000(21).
[3]謝俐. 電力線載波數(shù)字通信技術(shù)研究與實(shí)踐[D]. 重慶大學(xué),2009.
[4]李昌. 電力線載波通信的集群式防盜報(bào)警系統(tǒng)[J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2008,(6).
[5]吳長(zhǎng)康. 本質(zhì)安全型安全柵原理簡(jiǎn)介[J]. 電工電氣,2009(12).
[6]國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). GB3836.4-2010.
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